CRISPR-Cas9是一種革命性的基因編輯工具，但它並非沒有缺點。現在，哈佛大學的科學家們展示了一種被稱為Retron Library Recombineering（RLR）的替代性基因工程系統，它在不切割DNA的情況下工作，可以快速應用於巨大的細胞群。

CRISPR的工作方式就像一把基因剪刀，能夠對活細胞的基因組進行精確的剪切和粘貼編輯。該系統可以尋找到一個特定的DNA序列，然後使用一種酶，最常見的是Cas9來進行切割。當細胞執行其DNA修復程序時，CRISPR指示它使用不同的序列而不是原來的序列，從而實現編輯基因組的目的。

這個系統已經被證明在一系列的應用中是非常有價值的，從治療癌症、艾滋病和肌肉萎縮症等疾病，到害蟲控制、改善農作物，以及用細菌製造生物計算機。

然而，也有潛在的問題。切割DNA可能會導致一些意想不到的副作用，而且有人擔心CRISPR可能會在基因組的錯誤部分進行編輯。對於大規模修剪工作來說，CRISPR也可能是一個有點棘手的問題，因為很難跟踪突變體在實驗室測試中產生了哪些影響。

哈佛醫學院和懷斯研究所的研究人員提出的新基因編輯技術試圖解決這些問題。RLR的主要區別在於它根本不切割DNA–相反，它在細胞分裂前複製其基因組時引入了新的DNA片段。

一張示意圖說明了新的Retron Library Recombineering（RLR）基因編輯技術如何運作：

說明新的Retron Library Recombineering（RLR）基因編輯技術如何工作的示意圖Max Schubert/哈佛大學Wyss研究所

它是通過使用Retrons來實現的，Retrons是細菌DNA的片段，可以產生單鏈DNA（SSD NA）片段。事實證明，這原本是一種自我防禦機制，細菌用它來檢查它們是否被病毒感染。通過添加所需的DNA片段和單鏈退火蛋白（SSAP），RLR系統確保在原始細胞分裂後，預期的DNA片段最終出現在子細胞的基因組中。

該研究的共同第一作者丹尼爾-古德曼（Daniel Goodman）說：”我們想，RLR應該讓我們有能力在我們想要編輯的細胞內產生ssDNA，而不是試圖從外部強迫它們進入細胞，而且不會破壞本地DNA，這都是非常引人注目的品質。”

這個新系統還有其他一些優勢。它的擴展性很好，允許一次產生數百萬個突變，而且隨著細胞的複制，被編輯的細胞比例實際上也在不斷增加。Retron序列也可以像商品”條形碼”一樣被追踪，讓科學家在試圖研究其效果時，可以輕鬆地檢查哪些細胞接受了哪種編輯。

Retron Library Recombineering（RLR）可以加快關於細菌基因突變的實驗室實驗Max Schubert / 哈佛大學Wyss研究所

為了測試該系統，研究人員將其用於編輯大腸桿菌的種群。他們使用轉錄器向細菌引入抗生素抗性基因，並在對細菌進行了一些其他調整以阻止它們修復DNA “錯誤”後，他們發現超過90%的種群在20代後加入了所需的序列。由於轉基因的條形碼性質，研究小組能夠輕鬆地跟踪哪些編輯將所需基因轉移到細菌基因組中。

雖然還有很多工作要做，但該團隊表示，新的RLR工具可以有一系列的應用。從短期來看，它可以成為研究細菌基因組和突變的一個強大的新工具，可能有助於創造新的有益菌株或發現諸如抗生素抗性等問題的治療方案。從長遠來看，它可能導致在其他生物體，甚至是人類中形成一種更安全的CRISPR替代品。

“該研究的高級作者George Church說：”能夠用RLR分析集合的、條形碼的突變體庫，就能同時進行數百萬次實驗，使我們能夠觀察整個基因組的突變效果，以及這些突變可能如何相互作用。”這項工作有助於建立一個在其他遺傳系統中使用RLR的路線圖，這為未來的遺傳研究提供了許多令人興奮的可能性。

該研究發表在PNAS雜誌上。